擋風玻璃破裂的物理原理可能會破壞腎結(jié)石

飛機必須飛得很快才能使雨滴破裂，從而擋風玻璃破裂，但這是有可能發(fā)生的?，F(xiàn)在，不可能完成的壯舉背后的物理學新模型可能只是幫助醫(yī)生將腎結(jié)石弄碎了。

1960年代，當超音速噴氣機首次被商業(yè)化開發(fā)時，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象，該現(xiàn)象有時會在穿過雨林的試飛中發(fā)生。即使雨滴幾乎不重，它們?nèi)阅軌蛟趪姎馐斤w機的擋風玻璃上形成環(huán)形裂紋。

盡管科學家最初難以解釋這種好奇心，但劍橋大學的弗蘭克·菲利普·鮑登教授和約翰·菲爾德教授最終還是將表面波視為罪魁禍首。由于表面波僅在二維方向上傳播，因此它們比三維波具有更強大的沖擊力。然而，由于缺乏描述這種現(xiàn)象的數(shù)學方法和缺乏驗證所提出模型的實驗裝置，對該現(xiàn)象的某些細節(jié)仍然知之甚少。

杜克大學機械工程與材料科學教授裴鐘和他的前研究生應聘為現(xiàn)任Bose聲學工程師的張英在11月1日發(fā)表在《物理評論研究》上的一篇新論文中，填補了這一科學知識方面的空白。

使用高速相機(左)跟蹤由泄漏的瑞利表面波引起的應力，并將其與現(xiàn)象的新模型進行比較(右)。這些類型的表面波產(chǎn)生的圓形裂紋首先出現(xiàn)在飛越熱帶雨林的超音速噴氣機的擋風玻璃中，現(xiàn)在可以利用它們來破碎腎結(jié)石。信用：杜克大學

他們創(chuàng)建了一個實驗系統(tǒng)，以可視化此類表面波產(chǎn)生的應力。他們放置了一個碎石設備，該設備被設計為用一波玻璃覆蓋的一桶水中的聲波將腎結(jié)石粉碎，然后引發(fā)點源爆炸，爆炸形式是球形沖擊波。根據(jù)沖擊波撞擊玻璃的角度，它可以產(chǎn)生在水玻璃邊界傳播的表面波。

借助高速攝像頭，該團隊僅在傳播通過玻璃杯的瞬間就測量了沖擊波各個元素的速度。Zhang使用這些測量值來驗證使用稱為COMSOL的多物理場軟件構建的有限元模型。這些模型成功地再現(xiàn)了在這種情況下經(jīng)常觀察到的一系列體波和表面波的特征，其中包括可以使人們免于需要手術去除腎結(jié)石的特征。

研究人員發(fā)現(xiàn)，主要負責大部分應力和破壞的一種波(稱為泄漏瑞利波)的傳播要快于另一種稱為e逝波的波。雖然它們是在水玻璃邊界上同時創(chuàng)建的，但泄漏的瑞利波最終還是從the逝波中拉開了，e逝波是由這種現(xiàn)象引起的最大拉應力的時刻和位置。

他們還發(fā)現(xiàn)，最初在超音速噴氣式擋風玻璃上觀察到的圓形裂紋不一定會在此時形成-它們需要玻璃中存在的缺陷才能開始使用。但是一旦開始，裂紋就會沿著圓形軌跡傳播，緊隨前進的泄漏瑞利波引起的固體中的第一個主應力。

鐘說：“治療腎結(jié)石的挑戰(zhàn)是將結(jié)石縮小成非常細的碎片，這樣醫(yī)生就不必再進行任何輔助手術了。” “基于通過該模型獲得的見解，我們也許能夠優(yōu)化沖擊波的形狀和碎石機設計，從而在腎結(jié)石表面產(chǎn)生更大的張力，從而更有效地打開缺損。”